Новая форма воды: создан лёд, который не тает при комнатной температуре

Физика воды — одна из самых загадочных областей современной науки. Существуют десятки разновидностей льда, каждая из которых возникает при своих температурах и давлениях.

Недавно немецкие исследователи добавили к этому списку новую форму — лёд XXI, уникальную тем, что она остаётся стабильной даже при комнатной температуре, если удерживается под высоким давлением.

Это открытие, опубликованное в Physical Review Letters и подробно описанное Европейским исследовательским центром European XFEL (X-ray Free Electron Laser), стало одним из самых значимых событий в физике конденсированных сред последнего десятилетия.

Как создавали лёд XXI

Эксперимент проходил в Гамбурге на крупнейшем в мире рентгеновском лазере European XFEL, где пучки рентгеновских импульсов позволяют заглянуть вглубь структуры вещества с точностью до атома.

Учёные поместили микроскопическую каплю воды в алмазную ячейку — установку, способную создавать экстремальное давление, достигающее 20 000 атмосфер (примерно в 20 000 раз больше, чем у поверхности Земли).

Затем образец подвергли воздействию импульсов давления и температуры, и всего за 10 миллисекунд вода перешла в неизвестное ранее состояние.
Из-за столь быстрого воздействия молекулы не успели выстроиться в привычную гексагональную структуру льда (лед Ih), характерную для снежинок. Вместо этого они образовали тетрагональную решётку, более плотную и упорядоченную.

Для фиксации процесса учёные использовали рентгеновские импульсы длительностью 50 фемтосекунд — то есть 0,00000000000005 секунды. Это позволило наблюдать, как молекулы H₂O буквально "перестраиваются" на лету.

"Мы увидели, как привычная вода превращается в совершенно иной материал, — рассказывает доктор Андреас Энгель, один из участников проекта. — Это как наблюдать, как стекло становится металлом, только на молекулярном уровне".

Почему лёд XXI особенный

Ранее науке было известно 20 кристаллических форм льда — от обычного льда Ih, который покрывает озёра и делает зимы возможными, до экзотических льдов XV, XIX и XX, образующихся при экстремальном давлении в недрах планет.

Однако лёд XXI выделяется сразу несколькими свойствами:

• Метастабильность: он сохраняет структуру даже после снятия давления, в отличие от большинства других льдов, которые мгновенно переходят в жидкость.

• Высокая плотность: молекулы упакованы значительно плотнее, чем в обычном льде, — это делает материал тяжелее воды.

• Твёрдость и прочность: по расчётам, она сравнима с алюминием.

• Термостабильность: при определённых условиях лёд XXI не плавится при комнатной температуре, что делает его уникальным среди кристаллов H₂O.

Космическое значение

На первый взгляд, вопрос, как ведёт себя вода под давлением, может показаться академическим. Но для астрономов и планетологов это открытие имеет огромное значение.

На спутниках Юпитера — Европе и Ганимеде — а также на Каллисто и Титане под поверхностью простираются гигантские океаны, накрытые километровыми слоями льда. При давлениях в десятки тысяч атмосфер там могут существовать именно такие плотные формы воды.

Если лёд XXI действительно стабилен в широком диапазоне температур, это помогает объяснить, как ледяные оболочки этих миров сохраняют устойчивость в течение миллиардов лет и не растаивают полностью даже при нагреве изнутри.

Кроме того, плотная структура льда XXI может влиять на электропроводность и теплопередачу — параметры, от которых зависят внутренняя динамика планет и их магнитные поля.

Исторический контекст: от Галилея до XFEL

Исследования воды как "аномальной субстанции" имеют богатую историю.

• В XVII веке Галилей первым отметил странное расширение воды при замерзании.

• В 1935 году П. У. Бриджмен получил высокодавленый лёд VI, сжимая воду до 10 000 атмосфер.

• В 1990-х годах были открыты льды XIII-XV при помощи синхротронного излучения.

• И вот в XXI веке к ним добавился лёд XXI, открытый с использованием технологии рентгеновских лазеров XFEL — инструмента, который позволяет буквально "замораживать движение атомов во времени".

Каждая новая фаза льда не просто добавляет строчку в каталог. Она помогает понять фундаментальные свойства водородных связей, от которых зависит и поведение воды, и структура белков, и работа живых клеток.

На границе химии и квантовой физики

Почему вода так сложна? Ответ в её молекулярной природе.
Каждая молекула H₂O образует до четырёх водородных связей с соседями. Эти связи непрерывно образуются и разрушаются — до 10¹² раз в секунду.

В экстремальных условиях давление буквально "ломает" этот танец связей, вынуждая молекулы перестроиться в новые, более плотные узоры.
По сути, каждая новая форма льда — это фотография воды в определённом энергетическом состоянии.

Для учёных это окно в мир квантовых взаимодействий, которые определяют, как формируются жидкости, минералы и даже атмосферы планет.

Практическое применение

Хотя открытие льда XXI кажется чисто теоретическим, у него есть и практический потенциал:

• Материалы под высоким давлением. Новые фазы воды могут послужить моделью для сверхтвёрдых материалов и сверхпроводников.

• Хранение энергии. Если удастся стабилизировать структуру при низких давлениях, это откроет путь к созданию безопасных систем хранения водорода.

• Фармацевтика. Изучение водородных сетей помогает моделировать, как лекарства взаимодействуют с белками, где вода играет роль посредника.

"Каждое новое открытие в физике воды меняет не только химию, но и медицину, материалы и даже климатологию", — отмечает профессор Лена Хольм из Лундского университета (Швеция).

Наука и техника будущего

Эксперименты, подобные этому, становятся возможными только благодаря рентгеновским лазерам нового поколения, таким как XFEL и синхротрон PETRA III.
Эти установки создают импульсы света в миллиарды раз ярче Солнца и позволяют наблюдать атомные процессы в режиме реального времени.

Фактически учёные получили видеозапись рождения новой формы материи, длительностью меньше тысячной доли секунды.
Это открывает новую эру атомного кинематографа — науки, которая изучает движение молекул в действии.

FAQ

Сколько существует форм льда?
До открытия льда XXI было известно 20 кристаллических фаз. Новая форма расширила этот список до 21, и учёные не исключают появления ещё десятков при разных давлениях и температурах.

Можно ли воспроизвести лёд XXI в домашних условиях?
Нет. Для его создания требуется давление 20 000 атмосфер и рентгеновская установка стоимостью миллиарды евро.

Почему лёд XXI не тает при комнатной температуре?
Плотная структура и сильные водородные связи не позволяют молекулам распадаться на жидкую фазу при обычных температурах.

Есть ли лёд XXI на Земле?
На поверхности — нет. Но подобные фазы могут кратковременно возникать в глубинных зонах земной мантии или в ледяных оболочках спутников-гигантов.

Что это значит для жизни?
Открытие помогает понять, как вода ведёт себя в экстремальных средах — от подледных океанов Европы до клеток живых организмов под высоким давлением.